量子技术领域的一项重大突破将磁振子——这种曾因寿命过短而被认为无法实际应用的微小磁波——转化为了极具潜力的量子信息载体。研究人员将其寿命延长了近100倍，达到了18微秒，并发现其主要限制因素并非物理定律，而是材料本身的纯度。这意味着未来的改进有望通过更优的制造工艺实现，而非依赖于全新的科学发现。
由维也纳大学的 Andrii Chumak 领导的国际研究团队还发现了一个重要的见解。他们发现，磁振子的寿命最终并非受限于物理定律，而是受限于它们所穿过的材料质量。他们的研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。
什么是磁振子？
磁振子是在磁性固体中移动的微小磁化波。它们可以比作石子投入水中后，在池塘表面扩散的涟漪。与在真空或光纤中传播的光子不同，磁振子保留在磁性材料内部。
由于其波长可以缩短至仅几纳米，基于磁振子的电路有可能集成到不大于现有智能手机芯片的芯片上。磁振子还能与其他基本准粒子（包括声子和光子）发生自然相互作用，这使其成为混合量子系统和量子计量学极具吸引力的构建模块。
解决磁振子寿命难题
多年来，磁振子技术面临的最大挑战之一是其极短的寿命。由于它们只能存活几百纳秒，消失得太快，无法可靠地存储或传输量子信息。
这项新研究改变了这一局面。研究人员将磁振子寿命延长至 18 微秒，将这些曾经转瞬即逝的信号转变为持久的量子信息载体。它们的性能现已接近实用量子技术所需的时间尺度，并使磁振子可与当今领先量子处理器中使用的超导量子比特相媲美。
研究人员如何实现这一突破
这一突破源于两种重要技术的结合。
首先，该团队没有使用传统的均匀磁振子，而是产生了短波长磁振子。这些磁振子天然地对晶体表面的微小缺陷不那么敏感，而在之前的实验中，这些缺陷缩短了磁振子的寿命。
其次，研究人员在混合式低温恒温器中将超纯钇铁石榴石（YIG）球体冷却至仅 30 毫开尔文。在仅比绝对零度高几分之一度的温度下，通常破坏磁振子的热过程被有效冻结。
限制源于材料而非物理
也许最令人惊讶的发现是确定了目前限制磁振子寿命的因素。
通过测试三个具有不同纯度水平的 YIG 球体，研究人员发现了一个明显的规律。晶体纯度越高，磁振子存活时间越长。即使是纯度最低的样品，其表现也优于以往的所有实验。
结果表明，未来的改进主要取决于材料科学的进步，而非克服不可避免的物理定律。随着研究人员开发出更纯的磁性材料，磁振子寿命可能会继续提高。
这对量子计算为何重要
随着寿命达到 18 微秒，磁振子的意义已远超临时信号。它们可以作为可靠的量子存储器件和低损耗通信信道，在芯片上传输量子信息。
研究人员表示，磁振子最终可能通过共享路径连接数百个量子比特，创造出人们长期寻求的“量子总线”，这将有助于扩展未来的量子计算机。由于磁振子能与许多不同的量子系统自然相互作用，它们还可以充当通用翻译器，使通常无法相互通信的技术能够协同工作。
该研究基于 Rostyslav Serha 在其博士研究期间进行的实验。该项目由维也纳大学领导，与科罗拉多大学科罗拉多斯普林斯分校以及德国、美国和乌克兰的研究机构合作完成。合著者 Kaitlin McAllister 通过维也纳物理博士学院参与其中，该学院为来自世界各地的优秀硕士生提供实习机会。